Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ОП)"

Оптика

О'птика (греч. optikē – наука о зрительных восприятиях, от optós – видимый, зримый), раздел физики, в котором изучаются природа оптического излучения (света), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света и вещества. Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны , и поэтому О. – часть общего учения об электромагнитном поле . Оптический диапазон длин волн охватывает около 20 октав и ограничен, с одной стороны, рентгеновскими лучами , а с другой – микроволновым диапазоном радиоизлучения. Такое ограничение условно и в значительной степени определяется общностью технических средств и методов исследования явлений в указанном диапазоне. Для этих средств и методов характерны основанные на волновых свойствах излучения формирование изображений оптических предметов с помощью приборов, линейные размеры которых много больше длины волны l излучения, а также использование приёмников света , действие которых основано на его квантовых свойствах.

  По традиции О. принято подразделять на геометрическую, физическую и физиологическую. Геометрическая оптика оставляет в стороне вопрос о природе света, исходит из эмпирических законов его распространения и использует представление о световых лучах , преломляющихся и отражающихся на границах сред с разными оптическими свойствами и прямолинейных в оптически однородной среде. Её задача – математически исследовать ход световых лучей в среде с известной зависимостью преломления показателя n от координат либо, напротив, найти оптические свойства и форму прозрачных и отражающих сред, при которых лучи проходят по заданному пути. Методы геометрической О. позволяют изучить условия формирования оптического изображения объекта как совокупности изображений отд. его точек и объяснить многие явления, связанные с прохождением оптического излучения в различных средах (например, искривление лучей в земной атмосфере вследствие непостоянства ее показателя преломления, образование миражей , радуг и т.п.). Наибольшее значение геометрическая О. (с частичным привлечением волновой О., см. ниже) имеет для расчёта и конструирования оптических приборов – от очковых линз до сложных объективов и огромных астрономических инструментов. Благодаря развитию и применению вычислительной математики методы таких расчётов достигли высокого совершенства и сформировалось отдельное направление поучившее название вычислительной О.

  По существу отвлекается от физической природы света и фотометрия , посвященная главным образом измерению световых величин , Фотометрия представляет собой методическую основу исследования процессов испускания, распространения и поглощения излучения по результатам его действия на приёмники излучения. Ряд задач фотометрии решается с учётом закономерностей восприятия человеческим глазом света и его отдельных цветовых составляющих. Изучением этих закономерностей занимается физиологическая О., смыкающаяся с биофизикой и психологией и исследующая зрительный анализатор (от глаза до коры головного мозга) и механизмы зрения .

  Физическая О. рассматривает проблемы, связанные с природой света и световых явлений. Утверждение, что свет есть поперечные электромагнитные волны, основано на результатах огромного числа экспериментальных исследований дифракции света ,интерференции света , поляризации света и распространения света в анизотропных средах (см. Кристаллооптика , Оптическая анизотропия ). Совокупность явлений, в которых проявляется волновая природа света, изучается в крупном разделе физической О. – волновой О. Её математическим основанием служат общие уравнения классической электродинамики – Максвелла уравнения . Свойства среды при этом характеризуются макроскопическими материальными константами – диэлектрической проницаемостью e и магнитной проницаемостью m, входящимив уравнения Максвелла в виде коэффициентов. Эти константы однозначно определяют показатель преломления среды: n = .

  Феноменологическая волновая О., оставляющая в стороне вопрос о связи величин e и m (обычно известных из опыта) со структурой вещества, позволяет объяснить все эмпирические законы геометрической О. и установить границы её применимости. В отличие от геометрической, волновая О. даёт возможность рассматривать процессы распространения света не только при размерах формирующих или рассеивающих световые пучки систем >>l(длины волны света) но и при любом соотношении между ними. Во многих случаях решение конкретных задач методами волновой О. оказывается чрезвычайно сложным. Поэтому получила развитие квазиоптика (особенно применительно к наиболее длинноволновому участку спектра оптического излучения и смежному с ним т. н. субмиллиметровому поддиапазону радиоизлучения) в которой процессы распространения, преломления и отражения описываются геометрооптически но в которой при этом нельзя пренебрегать и волновой природой излучения. Геометрический и волновой подходы формально объединяются в геометрической теории дифракции, в которой дополнительно к падающим, отражённым и преломлённым лучам геометрической О. постулируется существование различного типа дифрагированных лучей.

  Огромную роль в развитии волновой О. сыграло установление связи величин e и m с молекулярной и кристаллической структурой вещества (см. Кристаллооптика , Металлооптика , Молекулярная оптика ). Оно позволило выйти далеко за рамки феноменологического описания оптических явлений и объяснить все процессы, сопровождающие распространение света в рассеивающих и анизотропных средах и вблизи границ разделов сред с разными оптическими характеристиками, а также зависимость от l оптических свойств сред – их дисперсию, влияние на световые явления в средах давления, температуры, звука, электрического и магнитного полей и многое др.

  В классической волновой О. параметры среды считаются не зависящими от интенсивности света; соответственно, оптические процессы описываются линейными (дифференциальными) уравнениями. Выяснилось, однако, что во многих случаях, особенно при больших интенсивностях световых потоков, это предположение несправедливо; при этом обнаружились совершенно новые явления и закономерности. В частности, зависимость показателя преломления от напряжённости поля световой волны (нелинейная поляризуемость вещества) приводит к изменению угла преломления светового пучка на границе двух сред при изменении его интенсивности, к сжатию и расширению световых пучков (самофокусировка света и его самодефокусировка), к изменению спектрального состава света, проходящего через такую (нелинейную) среду (генерация оптических гармоник), к взаимодействию световых пучков и появлению в излучении т. н. комбинационных частот, выделенных направлений преимущественного распространения света (параметрические явления, см. Параметрические генераторы света ) и т.д. Эти явления рассматриваются нелинейной оптикой , получившей развитие в связи с созданием лазеров .

  Хорошо описывая распространение света в материальных средах, волновая О. не смогла удовлетворительно объяснить процессы его испускания и поглощения. Исследование этих процессов (фотоэффекта , фотохимических превращений молекул, закономерностей спектров оптических и пр.) и общие термодинамические соображения о взаимодействии электромагнитного поля с веществом привели к выводу, что элементарная система (атом, молекула) может отдавать энергию электромагнитному полю (или, напротив, получать её от него) лишь дискретными порциями (квантами), пропорциональными частоте излучения n (см. Излучение ). Поэтому световому электромагнитному необходимо сопоставить поток квантов света – фотонов , распространяющихся в вакууме со скоростью света с = 2,99·10⁹ см /сек . Фотоны обладают энергией h n, импульсом с абсолютной величиной h n/c и массой h n/c² (их масса покоя равна нулю, см. Масса ), а также спином h /2p; здесь h = 6,65·10²⁷эрг /сек – Планка постоянная . В простейшем случае энергия, теряемая или приобретаемая изолированной квантовой системой при взаимодействии с оптическим излучением, равна энергии фотона, а в более сложном – сумме или разности энергий нескольких фотонов (см. Многофотонные процессы ). Явления, в которых при взаимодействии света и вещества существенны квантовые свойства элементарных систем, рассматриваются квантовой О. методами, развитыми в квантовой механике иквантовой электродинамике , а оптические явления, не связанные с изменением собственных состояний квантовых систем (например, давление света , Доплера эффект ), могут трактоваться в рамках как классических волновых, так и фотонных представлений.

  Двойственность природы света (наличие одновременно характерных черт, присущих и волнам, и частицам) – частное проявление корпускулярно-волнового дуализма , свойственного, согласно квантовой теории, всем объектам микромира (например, электронам, протонам, атомам). Исторически концепция корпускулярно-волнового дуализма, впервые сформулированная именно для оптического излучения, окончательно утвердилась после обнаружения волновых свойств у материальных частиц (см. Дифракция частиц ) и лишь некоторое время спустя была экспериментально подтверждена для соседнего с оптическим диапазона электромагнитного излучения – радиоизлучения (квантовая электроника , квантовая радиофизика). Открытие квантовых явлений в радиодиапазоне во многом стёрло резкую границу между радиофизикой и О. Сначала в радиофизике, а затем в физической О. сформировалось новое направление, связанное с генерированием вынужденного излучения и созданием квантовых усилителей и квантовых генераторов излучения (мазеров и лазеров). В отличие от неупорядоченного светового поля обычных (тепловых и люминесцентных) источников, излучение лазеров в результате управления полем актами испускания входящих в них элементарных систем характеризуется упорядоченностью (когерентностью ). Оно отличается высокой монохроматичностью (Dn/n ~ 10^–13 , см. Монохроматический свет ), предельно малой (вплоть до дифракционной) расходимостью пучка и при фокусировке позволяет получать недостижимые ни для каких других источников плотности излучения (~10¹⁸вт ·см ^–2 ·стер ^–1 ). Появление лазеров стимулировало пересмотр и развитие традиционных и возникновение новых направлений физической О. Большую роль стали играть исследования статистики излучения (статистическая О.), были открыты новые нелинейные и нестационарные явления, получили развитие методы создания узконаправленных когерентных пучков света и управления ими (когерентная О.) и т.д. Особую важность приобрело изучение круга явлений, связанных с воздействием света на вещество (до появления лазеров наибольшее внимание привлекало воздействие вещества на свет). Развитие лазерной техники привело к новому подходу при создании оптических элементов и систем и, в частности, потребовало разработки новых оптических материалов, которые пропускают интенсивные световые потоки, сами не повреждаясь (силовая О.).

  Все разделы О. имели и имеют многочисленные практические применения. Задачи рационального освещения улиц, помещений, рабочих мест на производстве, зрелищ, исторических и архитектурных памятников и пр. решаются светотехникой на основе геометрической О. и фотометрии, учитывающей законы физиологической О.; при этом используются достижения физической О. (например, для создания люминесцентных источников света ) и оптические технологии (изготовление зеркал, светофильтров , экранов и т.д.). Одна из важнейших традиционных задач О. – получение изображений, соответствующих оригиналам как по геометрической форме, так и по распределению яркости (иконика), решается главным образом геометрической О. с привлечением физической О. (для установления разрешающей способности приборов и систем, учёта зависимости показателя преломления от l-дисперсии света и др.). Геометрическая О. даёт ответ на вопрос, как следует построить оптическую систему для того, чтобы каждая точка объекта изображалась бы также в виде точки при сохранении геометрического подобия изображения объекту. Она указывает на источники искажений изображения и их уровень в реальных оптических системах (см. Аберрации оптических систем ). Для построения оптических систем существенна технология изготовления оптических материалов (стёкол, кристаллов, оптической керамики и пр.) с требуемыми свойствами, а также технология обработки оптических элементов. Из технологических соображений чаще всего применяют линзы и зеркала со сферическими поверхностями, но для упрощения оптических систем и повышения качества изображений при высокой светосиле используют и асферические оптические элементы.

  Новые возможности получения оптических образов без применения фокусирующих систем даёт голография , основанная на однозначной связи формы тела с пространственным распределением амплитуд и фаз распространяющихся от него световых волн. Для регистрации поля с учётом распределения фаз волн в голографии на регистрируемое поле накладывают дополнит. когерентное поле и фиксируют (на фоточувствительном слое или др. методами) возникающую при этом интерференционную картину. При рассматривании полученной т.о. голограммы в когерентном (монохроматическом) свете получается объёмное изображение предмета.

  Появление источников интенсивных когерентных световых полей (лазеров) дало толчок широкому развитию голографии. Она находит применение при решении многих научных и технических проблем. С помощью голографии получают пространственные изображения предметов, регистрируют (при импульсном освещении) быстропротекающие процессы, исследуют сдвиги и напряжения в телах и т.д.

  Оптические явления и методы, разработанные в О., широко применяются для аналитические целей и контроля в самых различных областях науки и техники. Особенно большое значение имеют методы спектрального анализа и люминесцентного анализа , основанные на связи структуры атомов и молекул с характером их спектров испускания и поглощения, а также спектров комбинационного рассеяния света . По виду спектров и их изменению со временем или под действием на вещество внешних факторов можно установить молекулярный и атомный состав, агрегатное состояние, температуру вещества, исследовать кинетику протекающих в нём физических и химических процессов. Применение в спектроскопии лазеров обусловило бурное развитие нового её направления – лазерной спектроскопии. Спектральный и люминесцентный анализ используют в различных областях физики, астрофизике, геофизике и физике моря, химии, биологии, медицине, технике, в ряде гуманитарных наук – искусствоведении, криминалистике и пр.

  Чрезвычайно высокая точность измерительных методов, основанное на интерференции света, обусловила их большое практическое значение. Интерферометры широко применяют для измерений длин волн и изучения структуры спектральных линий , определения показателей преломления прозрачных сред, абсолютных и относительных измерений длин, измерений угловых размеров звёзд и др. космических объектов (см. Звёздный интерферометр ). В промышленности интерферометры используют для контроля качества и формы поверхностей, регистрации небольших смещений, обнаружения по малым изменениям показателя преломления непостоянства температуры, давления или состава вещества и т.д. Созданы лазерные интерферометры с уникальными характеристиками, резко расширившие возможности интерференционных методов за счёт большой мощности и высокой монохроматичности излучения лазеров.

  Явление поляризации света лежит в основе ряда методов исследования структуры вещества с помощью многочисленных поляризационных приборов . По изменению степени поляризации (деполяризации) света при рассеянии и люминесценции можно судить о тепловых и структурных флуктуациях в веществе, флуктуациях концентрации растворов, о внутри– и межмолекулярной передаче энергии, структуре и расположении излучающих центров и т.д. Широко применяется поляризационно-оптический метод исследования напряжений в объёмах и на поверхностях твёрдых тел, в котором эти (механические) напряжения определяются по изменению поляризации отражённого или прошедшего через тело света. В кристаллооптике поляризационные методы используются для изучения структуры кристаллов, в химической промышленности – как контрольные при производстве оптически-активных веществ (см. также Сахариметрия ), в минералогии и петрографии – для идентификации минералов, в оптическом приборостроении – для повышения точности отсчётов приборов (например, фотометров ).

  Широкое распространение получили высокочувствительные спектральные приборы с дифракционной решёткой в качестве диспергирующего элемента (монохроматоры ,спектрографы ,спектрофотометры и др.), использующие явление дифракции света. Дифракция на ультразвуковых волнах в прозрачных средах позволяет определять упругие константы вещества, а также создать акустооптические модуляторы света (см. Модуляция света ).

  Оптические методы, заключающиеся в анализе рассеяния света (особенно мутными средами ), имеют большое значение для молекулярной физики и её приложений. Так, нефелометрия даёт возможность получать данные о межмолекулярном взаимодействии в растворах, определять размеры и молекулярный вес макромолекул полимеров , а также частиц в коллоидных системах ,взвесях и аэрозолях . Последнее весьма важно для атмосферной оптики , оптики красок и порошков. Ценные сведения об энергетической структуре молекул и свойствах тел дают изучение комбинационного рассеяния света ,Мандельштама – Бриллюэна рассеяния и вынужденного рассеяния света , обнаруженного благодаря использованию лазеров.